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透光型聚酰亚胺的合成方法及其改性研究

张磊  
【摘要】:聚酰亚胺(PI)是通过二酐和二胺先经过缩聚反应生成聚酰胺酸,然后经酰亚胺化过程而制得的一类高分子材料。其主链中含有非常稳定的芳香族杂环结构,使它与其它种类聚合物相比,具有耐辐射、耐磨、制品尺寸稳定性好等优点,同时耐热性也更加突出。它作为一种性能卓越的聚合物材料在很多应用领域被广泛应用。聚酰亚胺主链中通常具有酰亚胺环与苯环基团,因而使其内部有着较强的分子链间作用,造成分子链在内部致密堆砌,存在如下不足:(1)由聚酰亚胺制成的薄膜由于透明性差,实际应用效果不佳;(2)生产原料价格昂贵,导致成本高昂;(3)加工性能较差。因此,面对上述存在的问题,综合生产成本和工艺、性能等的考虑,最好的解决办法是对聚酰亚胺进行改性。针对上述问题对聚酰亚胺进行改性可以采用多种途径,例如将具有所需功能的侧基引入进行改性来获得某些所需性能,与无机填料共混复合改性,以及通过将特征结构引入其分子主链中以进行共聚改性等。但采用上述改性方法对聚酰亚胺进行共聚或者功能化改性,由于原料价格高昂及合成条件要求严苛等缺点,制约了其大范围的应用。与对聚酰亚胺进行共聚、侧基功能化改性以及研发新一代聚合物材料相比,用无机材料对其复合改性是一种经济同时卓有成效的方法。聚酰亚胺/无机复合材料可以同时具有无机物和有机高分子材料的优势,如把无机物较低的热膨胀系数、耐热以及高温热稳定性与有机材料优良的韧性及可加工性等优良特性拟合于同一材料中。尤其是无机物材料的粒径达到纳米级时,将大幅度改善材料的物理和化学性质。因此,为了在保持聚酰亚胺高耐热性的条件下得到一种高透光率并且力学性能优异的复合聚酰亚胺,本实验通过在预先制备的前驱体聚酰胺酸溶液中加入聚酰亚胺粉末,发生二次亚胺化反应以制成复合聚酰亚胺,并对其添加氧化锌包覆二氧化钛颗粒来进行改性。纳米tio2具有突出的光学特性和耐热性,可以提高基体材料的光学性能和耐热性能,zno具有优异的高温热稳定性和基体相容性。二者的复合粉体相对纯zno或者tio2而言,高温热稳定性和分散性有很大的提高。通过控制二者复合颗粒的粒径,同时在聚酰胺酸中加入不同添加量的pi粉末再次亚胺化以制备pi/paa型聚酰亚胺可以提高基体的力学性能。利用纳米粒度仪、透射电子显微镜(tem)和x射线衍射仪(xrd)对氧化锌包覆二氧化钛颗粒的粒径大小和结构进行表征;使用紫外可见光分光光度计(uv)、电子万能试验机(utm)和热失重仪(tg)测试复合聚酰亚胺的透光率、力学性能和耐热性;通过红外光谱仪(ftir)与扫描电子显微镜(sem)对复合聚酰亚胺的化学结构、微观形貌等进行分析,探索复合聚酰亚胺透光率和力学性能提高的机理。结果表明:当pi/paa型聚酰亚胺中pi粉末的加入量由0.2%逐渐增大到0.5%时,其透光率呈逐渐增大的趋势。当pi粉末的加入量为0.4%时,pi/paa型聚酰亚胺的透光性最好,透光率为62%;当pi粉末的加入量由0.2%逐渐增大到0.5%时,其模量、拉伸强度以及断裂伸长率均显著提高,特别是当pi加入量达到0.4%,0.5%时,拉伸强度及模量明显比纯pi大一个水平。综合透光率和力学性能的考虑,选择pi粉末的添加量为0.4%时的PI/PAA型聚酰亚胺添加氧化锌包覆二氧化钛颗粒进行共混改性,改性后其力学性能虽然有所下降,但仍然远高于纯聚酰亚胺,可其透光率却提高到了70%,同时热分解温度仍然高达500℃。PI粉末的加入使聚酰亚胺微观形貌的规整性发生改变,引起了力学性能的增强。而氧化锌包覆二氧化钛颗粒的加入则通过加强折射作用提高了基体的透光率。


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